加州理工学院的科学家借助一种甲虫，对器官如何演化有了新发现。
隐翅虫演化出一种独特器官来保护自己：一种化学腺体，可向捕食者喷射有毒化学物质。
他们的研究为动物界复杂器官的演化方式揭示了一种新范式。
器官——如心脏、大脑和肾脏——是复杂结构，由不同细胞组合而成，这些细胞协同工作以执行特定功能。例如，人体眼睛中约有70种不同类型的细胞共同作用，使我们能够感知视觉。不同类型的细胞是如何演化到能够这样协同工作的？
隐翅虫是研究这一问题的理想生物。这是因为许多隐翅虫物种（共64,000种）演化出一种独特器官来保护自己：一种可向捕食者喷射有毒化学物质的化学腺体。如今，加州理工学院的研究人员已经描绘出隐翅虫中这些腺体演化的精确过程，研究对象是Dalotia coriaria。这项研究为动物界复杂器官的演化方式揭示了一种新范式。
这项研究在乔·帕克的实验室开展，他是生物学与生物工程助理教授。介绍这项研究的论文于12月9日发表在《Cell》期刊上。
诸如Dalotia这样的隐翅虫需要化学防御系统，因为它们的身体无法在物理层面抵御捕食者。与其他甲虫不同，隐翅虫的腹部灵活，能够在土壤环境中穿行并栖居，而其他甲虫无法在这些地方安家。然而，这种灵活性意味着它们的腹部缺乏保护，因此承受着强大的演化压力，必须发展出化学防御。
Dalotia甲虫具有一种所谓的背板腺，可释放由两种化合物组成的刺激性混合物。第一种是苯醌，这是一种高毒性化合物，单独存在时为固体，因此不会对捕食者构成危险。混合物的第二部分是一种溶剂（由一种烷烃和三种酯混合而成），苯醌可溶解在其中。单独的溶剂混合物也无害；然而，当它溶解苯醌后，就会使苯醌变成武器。
遭遇捕食者时，Dalotia会像蝎子一样猛地抬起腹部，从背板腺向敌人喷射这种混合物。
在这项研究中，帕克实验室的研究人员发现，背板腺由两种独特的细胞构成：一种制造固态苯醌，另一种制造可溶解这些有害化学物质的溶剂。
“这些甲虫是极好的研究模型，有助于我们了解新的生态关系如何在演化过程中，通过分子、细胞和行为层面的变化而出现，”帕克说。“围绕这个问题，我们非常关注隐翅虫如何在腹部拼组出这些腺体结构——它们由不同类型的细胞构成，并协同工作。这些结构体现了一个重大难题：复杂器官通常由多种不同细胞构成，这些细胞似乎能无缝协作；那么，这样的器官是如何演化而来的？这种协作性如何在演化过程中形成，确实很难解释。”
研究团队利用单细胞RNA测序，考察了每种细胞中的基因表达，由此找到了产生各类化合物的生物合成酶通路。随后，他们建立了甲虫腹部的单细胞“图谱”，得以考察其他所有类型腹部细胞中的基因表达。通过这种方法，团队发现，每种腺体细胞及其特化功能，都是由甲虫其他部位更古老细胞类型的遗传组分和功能，以一种类似弗兰肯斯坦式的拼接方式组合而成。
值得注意的是，其中一种细胞类型——产溶剂细胞——是由甲虫的外骨骼细胞与两种古老代谢细胞类型融合而成的混合体；后两种细胞能够制造和储存脂质，并产生信息素。帕克说：“甲虫从这些古老代谢细胞类型中征用了一个重要的基因表达程序，并将其植入一片角质层中，从而形成了腺体。”
进一步的实验——其中一项将甲虫放入有蚂蚁捕食者的对战场地——表明，无论溶剂通路还是苯醌通路被抑制，甲虫都会失去防御能力。这说明，在自然选择作用下，两种细胞都必不可少，才能形成甲虫的化学防御系统。研究人员还发现，背板腺产生的混合物具有抗菌特性，这进一步提升了这种新型器官的适应价值。
作者认为，这种腺体是由两种细胞类型共同演化而来的。帕克说：“产溶剂细胞为第二种细胞创造了一个生态位，使其能够产生固态苯醌，而苯醌可以溶解在烷烃和酯中。随后出现了一种高毒性分泌物，大幅提升了腺体的适应价值，并将两种细胞锁定在一个协作单元中。从本质上说，一个新器官就此出现了。”
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研究第一作者、生命科学研究基金会博士后学者兼西蒙斯研究员阿德里安·布吕克纳说，要证明这两种细胞类型如何协同发挥作用，需要采用跨学科方法。“要弄清楚甲虫为何演化出这种精确的化学混合物，我们需要研究这种分泌物的物理化学性质，”他说。巧合的是，罗伯特·利尔施（硕士，2021届）是朱莉娅·科恩菲尔德（理学学士，1983届；理学硕士，1984届）实验室的研究生；科恩菲尔德是伊丽莎白·W·吉隆化学工程教授。利尔施刚刚制造出一台微液滴流变仪，可测量微量液体的物理性质，包括甲虫分泌物。
布吕克纳解释说：“这是一次典型的加州理工学院合作。我们制备了合成腺体分泌物，在罗布的帮助下，证明Dalotia产生的混合物接近最优：毒性强，同时具有适当的黏度和铺展能力，能够有效发挥化学防御作用。”
根据这些发现，帕克的团队证明，每种细胞中的酶通路彼此共同演化。布吕克纳说：“这些通路在演化过程中以一种精简最终分泌物的方式组装起来。”
帕克表示：“这个系统的妙处在于，你可以通过实验将演化过程的各个尺度联系起来：从酶的催化性质，到它在生物合成通路中的作用，再到表达该通路的细胞类型的功能。而要理解这一点，还必须结合适应性协作这一背景：腺体内的其他细胞类型如何与其互动，以及它们在器官层面的整体作用如何影响甲虫在生态环境中的适应度。”
帕克补充说，在Dalotia'背板腺中发现的演化过程，可以推广用于理解更复杂器官（如人眼）的演化。“我们在背板腺中看到的情形——这个器官仅由两种细胞类型构成——可能会重复多轮：细胞类型为新细胞创造生态位，使其得以加入，最终形成极其精妙的多细胞复杂结构。”
论文题为《动物化学防御系统中协作细胞类型的演化组装》。其他共同作者包括研究生让·巴德鲁斯和利尔施、研究技术员米娜·尤塞费拉希耶、博士后学者希拉·基钦以及帕克。研究经费来自丽塔·艾伦基金会学者奖、阿尔弗雷德·P·斯隆研究奖学金、舒尔与凯·柯尔奇基金会资助、克林根斯坦—西蒙斯奖学金奖以及美国国家科学基金会职业奖。帕克还是加州理工学院田桥与蔡美儿神经科学研究所的附属教员。
